岩爆成因机理与AHP-FUZZY的浅析

王英豪,康国强,郑 超

(河北省水利水电勘测设计研究院,天津 300250)

岩爆成因机理与AHP-FUZZY的浅析

王英豪,康国强,郑 超

(河北省水利水电勘测设计研究院,天津 300250)

岩爆是一种岩体中聚集的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放,导致岩石爆裂并弹射出来的现象。在适宜的地应力条件下,岩性条件和埋深等因素的单独作用或综合作用,可发生岩爆现象。浅析AHPFUZZY法的评判和预测及形状控制法。在AHP-FUZZY法中,关键是评判因子的确定和对其统计分析的合理性。在形状控制法中,谐洞是最理想的选择。

岩爆;地应力;临界埋深;评判因子;形状控制;谐洞

1 岩爆成因机理

1.1 地应力条件

当岩体的自重应力大,原岩应力高,并出现局部的应力集中现象,此时,从能量守恒的角度考虑,当外界的诱发因素触及并参与了这个守恒模式,势必发生能量守恒外泄的现象,即岩爆。20世纪80年代,A.Kidybinski[1]提出弹性能量指数Wet,即冲击倾向指数,它是弹性岩石试件在受力变形过程中,达到峰值强度以前积累的弹性应变能与卸载所得的耗损应变能之比。Wet能较好的反映岩爆的存在及其强度,一般的判别:Wet<2.0(无冲击倾向),2.0≤Wet≤5.0(中等冲击倾向),Wet>5.0(强烈冲击倾向)。另一种岩爆的判别准则[2]σθ/σc≥(0.30+0.20σL/σθ)(发生岩爆),Wet≥5(发生岩爆)。

1.2 岩性条件

岩爆一般发生在致密高强度和完整的岩体中[3]。影响岩爆最主要的的两个岩性是:σθ和σc,即岩石的单轴抗拉强度和岩石的单轴抗压强度。据陆家佑的判别,其准则为:当σθ/σc≥Ks时,发生岩爆。当σt/σc=0.25、0.50、0.75、1.00时,Ks分别为0.30、0.40、0.45、0.50。

1.3 临界埋深

在分析岩爆发生的高地应力条件和围岩储存高应变能的条件后,可通过工程类比法并结合岩爆的临界深度对埋深进行定量的分析[4]。

式中:Rb——岩石单轴抗压强度;μ——岩石泊松比;γ——岩石容重。

2 层次分析——模糊数学评判法(AHPFUZZY)

2.1 评判因子的确定

与岩性条件有关的强度脆性系数、岩爆倾向指数、线弹性能;与应力条件有关的应力系数、T准则和应力指数;与岩体结构条件有关的围岩类别和RQD指标。

2.2 评判因子的层次分析

(1)建立岩爆发生的梯阶层次结构模型,如图1所示。

图1 岩爆发生烈度梯阶层次结构模型Fig.1 Stucture model of intensity hierarchy in rock burst

(2)采用1～9标度方法(A.LSatty),建立各层次中各指标的相关因素的两两比较判别矩阵,即:A-Bi判别矩阵,Bi-Ci判别矩阵。

(3)因素单排序:采用“特征根法”分别求出A-Bi判别矩阵、Bi-Ci判别矩阵的特征根及对应的权值向量,最后分别进行一致性检验。

(4)层次总排序:由各层次单因素排序结果自上而下将其权重进行合成,最终求得各因素对于总目标的相对权重,特别是最低层中各因素对于总目标的排序权重(表1)。各因素对岩爆发生的影响程度由重到轻的排列为:应力系数C2、倾向指数C3、T准则值C6、应力指数C8、RQD指标C7、围岩类别C5、脆性指数C1、线弹性能C4。

表1 岩爆AHP-FUZZY预测法层次总排序结果Table 1 Hierachy general ranking result in AHP-FUZZY

2.3 岩爆AHP-FUZZY预测

(1)在模糊评判集中,按照工程习惯将岩爆分为4个等级:无岩爆、弱岩爆、中等岩爆和强岩爆。参考国内外已有的成果和李天赋教授的研究所确定的单因子分级界限,得到的岩爆评判等级及单因素判别标准如下:

表2 岩爆评判等级及单因素判据标准Table 2 Criterion standard of evaluation grade and single factor

(2)AHP-FUZZY综合评价。对以上评判因子进行统计分析,用2次抛物线型模糊分布模型,得到的标准方程如下:

式中:u1(xi)为2次抛物线型分布隶属度偏小型;u2(xi)、u3(xi)为2次抛物线型分布隶属度中间型;u4(xi)为2次抛物线型分布隶属度偏大型。xi为第i个因子的指标值;ai,bi,ci均为第i个因子的分界值。

在实际应用中,先进行单因素评价,将8个评判因子的指标值xi代入隶属函数式①～③中,求得单因素的模糊关系矩阵U。然后将U与通过上述层次分析得到的全矩阵W按照加权平均法进行合成,得到综合评判矩阵集B,其中B=W×U(B1,B2,B3,B4)。

(3)最后按照最大隶属度原则,即可对岩爆发生集岩爆的烈度进行综合评判。

2.4 AHP-FUZZY法的优化

在AHP-FUZZY评判因子确定时,应尽可能多的找出与岩爆内外因有关的因素,以适应数值统计分析的规律性。而在评判因子的层次分析中,应将权值数较大的因子放在重要的位置上。对评判因子进行模糊曲线拟合时,可以尝试除2次抛物线以外的其他曲线拟合。

2.5 洞室尺寸即形状控制法

岩爆存在洞室效应[5],同一洞室形状下,岩爆都随洞室开挖尺寸的增大而增强;同一尺寸下,谐洞(椭圆)是减少岩爆最有利的洞形,半圆直墙形和圆形次之,半圆形最差。

故可在地应力及地质构造等外界因素已确定的条件下,尽可能减少洞室的开挖尺寸和选择椭圆形的洞形。

3 结语

由于岩爆的复杂性,本文仅仅从有限的角度去考虑并分析岩爆的成因及防治措施,随着对岩爆的进一步的认识和研究,一些较好的科学的方法势必会逐步的出现,解决岩爆这一工程界的难题。

[1] K IDYB INSKI A..Bursting liability indices of coal[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts,1981,18(4):295-304.

[2] 杨涛,李国维.基于先验知识的岩爆预测研究[J].岩石力学与工程学报,2000,19(4):429-431.

[3] 王元汉,李卧东,李启光等.岩爆预测的模糊数学总和评判法[J].岩石力学与工程学报,1998,17(5):493-501.

[4] 许东俊,章光,李廷芥等.岩爆应力状态研究[J].岩石力学与工程学报,2000,19(2):169-172.

[5] 孟陆波,赵建壮.岩爆的洞室效应[J].中国地质灾害与防治学报,2008,19(2):157-160.

(责任编辑:李 雯)

Formation Mechan ism of Rock Burst and AHP-FUZZY

WANG Yinghao,KANG Guoqiang,ZHENG Chao
(Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservacy&Hydropower,Tianjin300250)

Rockburst is a phenomenon,which is a release allof a sudden in potential energy according to accumulation of elastic defor mation of rock mass under certain con-ditions.There will be a explosion of rock mass under the conditions of appropriate geost-aticstress,lithological conditions and certain depth and so on with the effects of factors solely or synthetically.This papermakes a analysis of AHP-FUZZY,a forecast and Shape Control Law.In AHP-FUZZY,the Key factor is the determination of the evaluation factor and the rationality of rtatistical analysis.Harmonic hole is the best choice of all the holes in Shape ControlLaw.

rockburst;geostatic stress;critical depth;evaluation factor;Shape ControlLaw;har monic hole

TD23

A

1671-1211(2010)05-0612-03

2010-08-10;改回日期:2010-09-06

王英豪(1982-),男,助理工程师,地质工程专业,从事工程地质与水文地质工作。E-mail:2002wangyinghao@163.com